Vor gar nicht allzu langer Zeit waren Schwarze Löcher so etwas wie die Yetis der Astronomie: fabelhafte Wesen, die die Fantasie beflügelten, über deren Existenz aber leidenschaftlich gestritten wurde. Heute ist klar: Schwarze Löcher existieren, ja, das Universum ist voll davon. Unentwegt spüren Detektoren mehr von ihnen auf, und zunehmend wird deutlich, wie sehr Schwarze Löcher den Verlauf des Universums geprägt haben.
Doch obwohl sich all die Theorien über Schwarze Löcher als richtig erwiesen, lieferten die Beobachtungen auch Überraschungen. Denn es tauchten Exemplare auf, die es nach bisherigem Verständnis gar nicht geben dürfte.
Schwarze Löcher entstehen unter anderem, wenn ein Stern stirbt. In einer spektakulären Explosion – der Supernova – schleudert er seine äußere Hülle in den Weltraum. Der Rest fällt in sich zusammen, bis die Materie so extrem verdichtet ist, dass sie eine tiefe Delle in der Raumzeit hinterlässt: ein Schwarzes Loch.
Einerseits muss ein Stern dazu genug Anfangsgewicht mitbringen: Die kleinsten beobachteten Schwarzen Löcher sind zwei- bis dreimal so schwer wie unsere Sonne. Andererseits kann laut einer Hypothese ein Stern auch nicht beliebig groß sein. Prozesse in seinem Inneren – darüber später mehr – könnten verhindern, dass mittelschwere Exemplare zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Aus einem Stern könnte sich demnach kein Schwarzes Loch bilden, das zwischen etwa 40 und 130 Sonnenmassen schwer sei.
Allerdings wiesen Detektoren in den Weiten des Weltraums auch Schwarze Löcher nach, die genau in diesem "verbotenen" Massebereich lagen. Schnell kam die Idee auf, dass diese durch Fusionen entstanden sein könnten: Wenn etwa zwei Schwarze Löcher von je 30 Sonnenmassen kollidieren – beispielsweise in dichtbevölkerten Sternhaufen –, verschmelzen sie zu einem größeren Exemplar mit annähernd 60 Sonnenmassen; ein kleiner Teil der Masse geht bei der Kollision verloren.
Doch wie lässt sich nachweisen, dass die mittelschweren Schwarzen Löcher tatsächlich durch Kollisionen entstanden? Womöglich war ja auch schlicht die Ausgangshypothese falsch, und Sterne können doch zu mittelschweren Schwarzen Löchern kollabieren.
Eine Studie, die vergangene Woche in der Fachzeitschrift "Nature Astronomy" erschien, erbrachte nun den Nachweis. Forschende verschiedener europäischer und US-amerikanischer Universitäten werteten für die neue Studie einen wertvollen Datenschatz aus. Sie analysierten Ereignisse, die die weltweit vernetzten Gravitationswellendetektoren seit 2023 beobachtet hatten. Dadurch konnten die Forschenden 306 Schwarze Löcher nicht nur anhand ihrer Massen katalogisieren, sondern auch anhand ihres Spins – also ihrer Rotationsgeschwindigkeit.
Dieser ist spannend, weil er etwas über die Entstehung des Schwarzen Lochs verrät. Da Sterne eher langsam rotieren, sollten auch die aus ihnen entstandenen Raumzeitdellen wenig Spin haben. Wenn jedoch zwei Schwarze Löcher aufeinandertreffen und fusionieren, umkreisen sich die Massemonster zunächst auf zunehmend engeren und schnelleren Bahnen. Sie führen also einen Paartanz aus, dessen hoher Drehimpuls auf das resultierende Schwarze Loch übergehen sollte.
Genau diese Unterscheidung war in den Daten klar ersichtlich: Die langsam rotierenden Schwarzen Löcher sind stets unter 45 Sonnenmassen leicht. Schnell rotierende gibt es bei allen Massen, vor allem haben alle mittelschweren Exemplare einen hohen Spin. Das war der gesuchte Beweis, dass sie zwei verschiedene Entstehungsgeschichten haben, es sich mithin um verschiedene Arten von Schwarzen Löchern handelt.
Die neue Studie demonstrierte dadurch auch, dass die initiale Hypothese korrekt ist, wonach Sterne nicht zu mittelschweren Schwarzen Löchern kollabieren können. Daraus folgt die wohl überraschendste Einsicht der Forschenden: Aus den kosmischen Giganten lassen sich Rückschlüsse darauf ziehen, was im Inneren winziger Atome geschieht.
Die Verbindung zwischen dem ganz Großen und dem ganz Kleinen liefern jene schon erwähnten Prozesse im Inneren sterbender Sterne, die verhindern, dass diese in gewissen Fällen zu Schwarzen Löchern kollabieren. Bei solch schweren Sternen sind Druck und Temperatur im Zentrum so extrem, dass ein außergewöhnlicher Vorgang einsetzt: Das energiereiche Licht im Inneren kann sich in ein Paar aus Materie und Antimaterie umwandeln, genauer in ein Elektron und ein Positron. Das Sternenzentrum verliert Energie, wodurch es dem auf ihm lastenden Druck nicht mehr standhält. Die Brennvorgänge beschleunigen sich, in kurzer Zeit setzt der Stern enorme Mengen Energie frei, was ihn vollständig zerreißt. Diese Explosion wird als Paarinstabilitätssupernova bezeichnet.
Was bislang eher eine Theorie war, belegt die neue Studie endgültig. Zugleich verbessert sie unser Verständnis von Paarinstabilitätssupernovae. Denn wie explosiv ein Sternenzentrum ist, hängt von seiner Zusammensetzung ab, genauer gesagt davon, wie schnell in ihm Kohlenstoff und Helium zu Sauerstoff verschmelzen. Mehr Sauerstoff macht den Stern "explosiver".
Doch wie schnell sich im Sternenzentrum Kohlenstoff in Sauerstoff umwandelt, lässt sich in Laborexperimenten nur schlecht untersuchen, da sich die extremen Zustände in Sternen kaum nachbauen lassen. Aus dem bislang unvollständigen Wissen erfolgte die frühere Schätzung, dass die "verbotene Zone" für Schwarze Löcher ab 40 Sonnenmassen einsetzt. Das Forschungsteam konnte nun präzisieren, dass die Grenze bei 44,3 Sonnenmassen liegt. Daraus schloss das Team wiederum zurück auf die Wahrscheinlichkeit, mit der die Atomkerne verschmelzen. Sie wirkt wie ein Taktgeber im Inneren eines Sterns, der die gewaltige Explosion am Ende eines Sternlebens steuert.
Was sich in irdischen Laboren nur schwer untersuchen ließ, wurde nun ausgerechnet dank der gigantischen Raumzeitdellen besser verständlich. Der Blick in den Kosmos hat geholfen, tiefer in den Mikrokosmos zu blicken.
